圆梁山隧道特殊地质地段施工浅析.ppt

圆梁山隧道特殊地质地段施工浅析张继奎中铁隧道集团有限公司2006年7月 一 工程概况圆梁山隧道是渝怀铁路上最长的隧道 隧道全长11 068km 为全线十大关键性控制工程之一 隧道进口位于细砂河东岸的瞻家坝 进口里程为DK351 465 出口位于属麻旺河源头的炭厂河西岸 出口里程为DK362 533 隧道为预留复线条件 正洞右侧30米为平导位置 平导全长11 186km 正洞和平导均为人字坡 隧道最大埋深约780m 隧道2001年1月开工 2005年5月竣工 总工期53个月 图1圆梁山隧道地表岩溶地貌图2圆梁山隧道地表岩溶洼地1 地貌 圆梁山隧道地处渝 鄂 黔三省市毗连地区 为川东鄂西褶皱山地与贵州高原的接壤带 穿越乌江与沅江水系的分水岭毛坝 圆梁山地区 属中 低山深切河谷地貌 相对高差800余米 本区地貌明显受构造地质构造运动明显 具有条带状展布特征 总体上以褶皱构造为基本骨架 形成相间式排列的北北东向的山脉与河谷 地貌分异现象十分明显 兼有岩溶洼地和峡谷地貌景观 2 地质情况隧道依次穿越毛坝向斜 冷水河浅埋段 桐麻岭背斜 节理 裂隙比较发育 地质构造异常复杂 毛坝向斜 桐麻岭背斜及其伴生或次生断裂构造十分发育 全隧共穿越13条断层 隧道依次通过志留系 二叠系 泥盆系 志留系 奥陶系 寒武系地层 主要岩性为砂岩 泥岩 页岩 石灰岩 白云质灰岩地层 主要的工程地质问题有岩溶 高压富水 断层 高地应力 高地温 煤层瓦斯 石油天燃气等等 施工难度极大 因此 圆梁山隧道在六 七十年代曾被国内外专家称为 铁路隧道修建的禁区 1 圆梁山隧道全长11068m 是渝怀线的重点 难点和控制工程之一 2 主要的工程地质问题有高压富水 岩溶及断层 高应力软岩大变形 煤层瓦斯 石油天然气等 施工难度极大 3 毛坝向斜区域存在两层承压水 静水压力高达4 42MPa 4 6MPa 预计正常涌水量55000m3 d 最大涌水量83000m3 d 3 圆梁山隧道工程难点 4 铜麻岭背斜可溶岩段长4868m 其中冷水河浅埋段 存在地表水渗漏 隧道位于岩溶水季节变化带和水平循环带 岩溶和岩溶水发育 5 隧道穿越二叠系下统栖霞组 茅口组深灰色中厚层灰岩与灰黑色中厚层状沥青质灰岩互层带 沥青质灰岩裂隙中储存少量原油 发育蕴气构造 伴生有瓦斯 石油气等可燃性有害气体逸出 6 在施工中共揭示五个溶洞体和两段天然气储气层 均给施工造成了很大的困难 4 圆梁山隧道地质灾害图 愉怀铁路最长隧道 全长11 068km穿越高压富水的毛坝向斜 桐麻岭背斜段 预估正常涌水量为9 8万m3 d 最大涌水量为14 5万m3 d 最大静水压4 6MPa揭露了5个深埋充填型溶洞 多次发生突水和伤亡事故 施工难度极大 毛坝向斜核心 圆梁山隧道毛坝向斜核部溶洞分布纵剖面图 二 圆梁山隧道岩溶涌水突泥及采取的施工措施 1 平导1 溶洞涌水突泥及采取的施工措施 平导1 溶洞位于PDK354 255 280段 在揭露前 超前地质预报准确地探测到了该溶洞的存在 填充介质及规模 溶洞充填介质为淤泥 无自稳能力 并且在溶洞体和岩层交界面有大量地下承压水存在 施工中最大涌水量为12000m3 d 该溶洞在平导中横断面及平面布置如图3所示 在施工中采用了 全断面超前预注浆 超前大管棚 超前小导管支护 综合支护技术 依靠注浆加固 范围为开挖轮廓外3m 将溶洞充填物改造成稳定构造体并阻水 然后在大小管棚的强力支护下进行开挖支护并顺利通过 平导1 溶洞涌水突泥及采取的施工措施 平导1 溶洞在施工中采用了 全断面超前预注浆 超前大管棚 超前小导管支护 综合支护技术后顺利通过 平导1 溶洞全断面超前预注浆效果 圆梁山隧道岩溶涌水突泥及采取的施工措施 正洞1 溶洞涌水突泥及采取的施工措施 正洞1 溶洞位于DK354 230 290段 该溶洞体充填介质为淤泥质粉质粘性土 夹杂部分漂石和砾石 距溶洞20m处揭露了一直径为2 3m的大型岩溶管道 最大涌水量10000m3 d 由于该岩溶管道泄水作用 使得正洞第一溶洞填充介质受水的影响不大 有一定的自稳能力 施工原则是 以堵为主 限量排放 排堵相结合 圆梁山隧道岩溶涌水突泥及采取的施工措施 正洞1 溶洞涌水突泥及采取的施工措施 施工方法主要是 台阶开挖 型钢网喷支护 超前注浆加固 底部树桩加固 等综合施工措施顺利通过 软塑状淤泥 有一定的自稳能力 2 平导2 溶洞涌水突泥及采取的施工措施 平导2 溶洞于2002年4月21日8时被发现 在超前地质钻孔时 从钻孔处射出高压水 射程约30m 4小时后压力减小 但含沙量高达20 水质是铁锈色 停工后做C20砼止浆墙 后确认平导溶洞里程为PDK354 435 490 平导2 溶洞超前探水时被发现 圆梁山隧道现场突水涌泥情况 2002年11月10日 2 溶洞DK354 440处突然发生涌水涌砂 最大涌水量69000m3 h 2 溶洞 正洞2 溶洞涌水突泥及采取的施工措施 2 溶洞位于正洞DK354 460 490段 充填大量的水和粉质粉细砂 核部存在高压富水 为向斜东翼最大的蓄水构造 是圆梁山隧道施工中难度最大的 是 难中之难 经过多次专家会议论证及方案比选 确定了以 泄水洞泄水降压 全断面帷幕注浆 以堵为主 的排堵相结合施工方案 在施工中采取了 泄水洞泄水降压 施工迂回导坑形成溶洞两端夹击 顶水注浆封堵大型岩溶管道 全断面超前帷幕注浆加固砂体 超前大管棚实现刚性支护 CRD分步开挖稳扎稳打 的综合施工措施 正洞2 溶洞涌水突泥及采取的施工措施 2 溶洞充填物 粉细砂 2 溶洞充填物给施工造成了极大的困难 正洞2 溶洞涌水突泥及采取的施工措施 2 溶洞突水洞内表状 2 溶洞突水洞口表状 2 溶洞CRD法开挖 3 正洞3 溶洞涌水突泥及采取的施工措施 正洞3 溶洞是灾害最严重的一个溶洞 中心里程为DK354 879 在正洞下导坑施工时 TSP202 红外线 以及5m超前风钻探孔均未探测到该溶洞的存在 2002年9月10日10点15分 爆破后掌子面右侧底部碴堆有轻微移动 至14点30分左右 突发巨响 溶洞中充填的硬塑 软塑状粘性土瞬时以巨大的压力从掌子面向外挤压喷出 迅速塞满DK354 879 365计244m的下导坑空间 涌泥量高达4200m3 造成了严重后果 3 溶洞 2002年9月10日 3 溶洞正洞超前下导坑施工到DK354 879处时 掌子面突发爆喷型突泥 瞬间 硬塑 软塑状粘土塞满244m长的下导坑空间 涌泥量4200m3 正洞3 溶洞涌水突泥及采取的施工措施 被3 溶洞爆喷突泥所掩埋的梭矿 被3 溶洞爆喷突泥所掩埋的电瓶车 4 4 5 溶洞涌水突泥及采取的施工措施 4 5 溶洞位于出口端铜麻岭背斜区 4 溶洞为正洞里程DK356 850 960段多个岩溶管道群 由于相互连同性极好 设计上只作了管道注浆堵水 而衬砌是普通衬砌 按设计施工后 于2002年雨季形成了较高的压力水将衬砌压裂 被迫钻孔泄压 5 溶洞里程为DK361 752 765 为一填充性溶洞 填充物是泥 沙 碎石 块石及水 2001年雨季施工期间多次发生涌水 涌泥 沙 石块 给施工带来了巨大的影响 鉴于此 决定在正洞右下方设1800m长的泄水洞 将4 5 溶洞的水排出洞外 5 溶洞 4 溶洞 4 溶洞是由多个小岩溶溶隙组成的溶隙群段 该溶洞开挖施工后 受降雨影响 多次发生大规模涌水涌泥 2001年7月14日 隧道突发大规模涌水突泥 最大涌水量11万m3 h 涌水涌泥持续28分钟后渐小 涌泥量1 5万m3 随后进行超前探孔时 由探孔中再次发生突水喷泥 喷射距离达40m 5 圆梁山隧道石油天然气突喷及采取的施工措施 毛坝向斜东翼P1q m层不仅地表50 60m下封存有石油 而且在两翼栖霞组 茅口组下部沥青质灰岩中富存有石油天然气 均对隧道施工造成不利影响 01年9月18日 在进口PDK353 505 3进行超前探孔施工时 钻至25米左右时 有压力较大的一股可燃气体突然喷出 瞬间起火 造成事故 表明隧道已进入了煤系瓦斯地层 实测瓦斯压力为0 298 0 9MPa 瓦斯涌出量为0 124 0 137m3 d 在施工中 由于高度重视 加强了瓦斯检测和施工通风能力 照明及电气设置均安装了防爆设备 并使用防爆机械进行施工 虽然瓦斯涌出量很大 可燃性石油气及有害气体含量丰富 但仍得以安全通过 瓦斯自动检测仪及报警仪 三 圆梁山隧道穿越特殊地质地段综合施工技术 通过信息反馈及超前探测 我们决定 a 打泄水洞 排水降压是必须的 b 因平导开挖已进入雨季 必须永久衬砌紧跟 c 在地表建立气象观测站 及时监测天气变化 同时根据监测数据进行天气预报 指导平导开挖 d 要求施工人员一旦挖开止浆墙后 必须快挖 快支 快喷 快封闭 确保开挖一米成型一米 稳扎稳打 步步为营 e 对2 3 溶洞绕行迂回贯通 两面夹击处理溶洞 以确保合同工期 1 信息反馈及超前探测 利用信息反馈及超前探测技术 较为准确地得到了2 溶洞洞体形状 走向以及与隧道的位置关系 1 地质超前钻探掌子面上超前探水孔共布设4 5个 其中2个位于上部拱腰处 另2个位于边墙部位 如掌子面底部可能出水 则在底部另外增加一个钻孔 超前探水孔直径 90mm 探水段长30m 终孔位于隧道开挖轮廓线外1 5 3 0m 根据钻机推力和扭矩 钻速大小 岩粉成份 成孔难易及钻孔出水情况来判断前方的地层和岩性 同时进行涌水量和水压测试 判断掌子面前方地层含水情况 2 TSP202探测TSP202超前地质预报系统是利用地震波在不均匀地质体中产生的反射波特性来预报隧道掘进面前方及周围临近区域地质状况的 图8是圆梁山平导PDK354 256 406地质预报的结果 图7TSP202信息采集图8TSP202地质预报结果 3 红外线探测红外线超前探水技术是依据水体与各种地质体热性质的差异所辐射的场强不同 通过跟踪探测 掌握开挖前方是否有隐伏水体存在 再通过其他辅助探测手段进一步确定含水构造的距离和方位 正洞下导坑DK354 230 260红外测试结果如图9所示 从图中看出 所测掌子面红外辐射场最大值为450 W cm2 最小值为439 W cm2 红外场强差值11 W cm2 大于仪器所取的安全值10 W cm2 因而可判断前方地质体为非均质构造 发育含水构造等异常体 由现场所测左边墙 拱部与右边墙纵向辐射场数据曲线来看 红外探测曲线的辐射场强值曲线除局部突变外 在整体上亦呈向上突变的趋势 推测前方构造体有变化 发育含水构造等异常体 a掌子面场强分布图b纵向辐射场强变化曲线图图9DK354 230 260红外线测试结果图 4 HSP水平声波剖面法和声波CT技术对溶洞区超前预测 预报HSP水平声波剖面法其原理是建立在弹性波理论的基础上 探测的物理前提是岩溶洞穴及充填物与周边地质体间明显的声学特性差异 声波CT技术的物理前提是 具不同物性差异的介质 声波在其内部的传播速度不同 该方法通过密集对穿的测试方式 计算并模拟测试剖面内部的物性差异情况 结合现场地质分析 从而达到对测试剖面范围内的地质体进行直观的三维图像描述 DK354 230 290溶洞区中导坑开挖后 中铁西南院2002年4月25日 4月26日利用HSP法和声波CT技术对溶洞区进行了预测预报 结果如图10所示 图10HSP法和声波CT技术超前溶洞区预测结果 5 地质雷达探测地质雷达通过向地层中发射宽带 高频电磁波 并对所接收到的反射波进行一系列处理 精确地测定出电磁脉冲传播到目标物并反射后来的时间 由此来确定目标物的深度和位置等 2002年7月 北方交通大学对正洞下导坑DK354 461掌子面前方进行了地质雷达探测工作 探测结果为 距掌子面4m远以外为同相轴连续性较好的低频 低辐波 为含水砂层 在17 20m深处出现较明显的分层现象 图11地质雷达现场探测图1235MHz天线探测结果通过以上多种地质探测手段的互相对比 综合分析 预测 预报和开挖印证 给施工提供比较准确的地质信息 给施工决策提供依据 最大限度地减少地质灾害的发生 6 信息化施工采用三维无尺量测技术施工工程中采用了全站仪和固定在围岩或支护结构表面的反射片进行隧道三维变形监测 可以随时获取隧道周边各点的变位数据 初步判断结构稳定情况 图27三维变形无尺监测 项监测施工工程中在支护结构和围岩之间埋设了压力盒 渗压计 并在支护结构内部埋设了钢筋计 混凝土应变计 可以随时监测土压力 水压力及支护内力的变化 准确判断结构的稳定性 2 圆梁山隧道穿越特殊地质地段综合施工技术 在迂回绕行方案确定后 2003年4月30日于DK345 473处开挖迂回导坑 2003年6月15日1 迂回导坑与正洞下导贯通之后 立即在DK345 500处做止浆墙封闭 2003年8月6日8时2 迂回导坑与出口工区对应在正洞DK354 880处贯通 随后又通过6 1 和6 2 横通道分别向2 和3 溶洞开挖 园梁山迂回导坑胜利贯通 2 1迂回绕行 两面夹击 迂回绕行 两面夹击 迂回导坑贯通后 形成了对两个溶洞夹击之势 平导3 溶洞采用全断面开挖 108大管棚 型钢支撑 网喷支护 2003年10月28日于PDK354 919 5处贯通 平导2 溶洞采用台阶法人工开挖 108大管棚 型钢支撑 TSS关超前注浆 网喷支护 径向补注浆 2003年12月26日于PDK354 469贯通 至此圆梁山平导全隧贯通 2 2全断面帷幕注浆堵水加固 为确保溶洞区的安全施工 要进行超前预注浆施工 加固开挖面及开挖轮廓线外5 8m 首先施工止浆墙 注浆工艺采取前进式分段注浆 注浆分段长度5m 即钻孔5m 注浆5m 循环注入 直到完成整个注浆段 综合注浆技术 1 四种主要注浆方案针对高压富水区段不同的地质条件状况及施工特点 初步选定四种注浆施工方案 即 超前预注浆 径向注浆 局部注浆和补充注浆 超前预注浆 注浆有效加固范围为 正洞为挖轮廓线外8m 平导为开挖轮廓线外5m 同时包括开挖工作面 如图13 开挖后全断面径向注浆 正洞注浆加固范围为隧道开挖轮廓线5m 平导为开挖轮廓线外3m 如图14 局部注浆 注浆有效加固范围为 正洞为挖轮廓线外5m 平导为开挖轮廓线外3m 补充注浆 注浆方案如图15所示 图13掌子面超前预注浆布孔图图14掌子面后部径向注浆 2 六种注浆材料根据地层的不同特点主要选用了凝胶时间可调 结石率和强度高 无毒性污染的五种注浆材料用来加固和改良地层 单液水泥浆 普通水泥 水玻璃浆 超细水泥浆 超细水泥 水玻璃浆 TGRM特种水泥灌浆料 泵送混凝土 图15局部注浆示意图 3 七种注浆工艺在圆梁山隧道毛坝向斜高压富水段 针对不同的地质条件和地质特征 采取了全断面深孔超前预注浆 TSS管全断面超前预注浆 径向注浆 小导管超前预注浆 局部填充注浆 TSS管垂直注浆 大管棚填充注浆等七种注浆方式 经过现场注浆施工应用 取得了满意的注浆施工效果 4 三种止浆方式根据地层成孔难易和空隙率大小 为了保证注浆加固效果 主要采用了全孔一次注浆 前进式注浆和后退式注浆 注浆过程中主要采用了机械式 气囊式和TSS管三种止浆方式 5 两种注浆机械设备采用国内先进的钻机和高 中压注浆泵 图16注浆列车 6 三种注浆机理根据地层特征和浆液特点以及注浆参数 充分利用渗透注浆机理 压密注浆机理 劈裂注浆机理 实施可控域注浆 达到注浆堵水和地层加固的目的 图19掌子面上的注浆加固体 图18注浆后的掌子面 图17注浆泵 2 3大管棚超前支护小导管注浆补充加强 超前大管棚采用外径 108mm 8mm的无缝钢管 每节长20 30m 布设时环向间距25cm 外插角1 5 每节管棚钻设 8mm单向阀溢浆孔4个 施做成TSS模式 管棚布设完成后 对管棚进行全孔一次性注浆 此后 在工作面周边布置 42mm超前小导管 长3m 环向间距